廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院 李南安

空氣質(zhì)量一直是人們關(guān)注的話題，特別是人們大多數(shù)時間所在的室內(nèi)空氣質(zhì)量。本設(shè)計(jì)采用STC15系列單片機(jī)為核心，配合兩個傳感器進(jìn)行氣體數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示器上，把空氣數(shù)據(jù)化，還能通過局域網(wǎng)或連接設(shè)備進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，時刻能夠關(guān)注到空氣質(zhì)量的變化，并有提醒功能；如果檢測的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)超過標(biāo)準(zhǔn)值，顯示屏上的數(shù)據(jù)會變成紅色，提醒用戶需注意當(dāng)前空氣。經(jīng)過測試，系統(tǒng)能對TVOC（揮發(fā)性有機(jī)物）、CO2（二氧化碳）、溫度和濕度正常采集，并將檢測的數(shù)據(jù)正常顯示在屏幕上。通過網(wǎng)絡(luò)測試，使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手可以讓數(shù)據(jù)正常收發(fā)。

近年來，人們對自己的身體健康越來越重視：注意自身的飲食習(xí)慣，并加強(qiáng)鍛煉身體，保持心理平衡。但即使做到了這些，還有一項(xiàng)重要的因素影響著人們的身體健康，且將長期影響，那就是：空氣。了解空氣質(zhì)量，改善生活環(huán)境，人們對空氣質(zhì)量檢測的需求也越來越大，考慮到人們大多數(shù)時間都呆在室內(nèi)，而且室外空氣變化較大，所以從室內(nèi)空氣著手，注重對室內(nèi)空氣的質(zhì)量檢測，包括TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)物）、CO2（二氧化碳）、溫度和濕度。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》提到的室內(nèi)空氣中的各種參數(shù)，選取了總揮發(fā)性有機(jī)物TVOC和二氧化碳CO2作為本設(shè)計(jì)的空氣檢測對象，具有一定的參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前面提到的模塊，進(jìn)行系統(tǒng)總架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)除了ESP8266需要3.3V電源外，其余元器件都是5V供電。液晶數(shù)據(jù)由單片機(jī)輸出，沒有數(shù)據(jù)交換；ESP8266需要和單片機(jī)數(shù)據(jù)交換才能完成無線收發(fā)功能；DHT11發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)；SGP30同樣既可讀取數(shù)據(jù)，也可寫入數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)單片機(jī)IAP15W4K58S4接5V電源。ESP8266使用串口3，所以使用P0.0和P0.1端口，TFT液晶顯示屏需要SPI通信，所以MOSI和SCLK分別連接P1.3和P1.5，剩下的引腳接普通I/O口即可。DHT11模塊數(shù)據(jù)引腳沒要求，故接普通I/O口。SGP30模塊CL和SDA引腳是I2C通信，故使用普通I/O口即可。串口1：P3.0和P3.1用作單片機(jī)程序下載口，即USBISP下載，通過帶有CH340G的USB轉(zhuǎn)串口數(shù)據(jù)線可實(shí)現(xiàn)程序的下載。由于此單片機(jī)內(nèi)部自帶高精度時鐘，因此本設(shè)計(jì)沒有使用外部晶振，僅通過ISP編程時選擇系統(tǒng)內(nèi)部始終即可，本次設(shè)計(jì)使用的系統(tǒng)內(nèi)部IRC頻率為12.000MHz。單片機(jī)端口各個端口定義如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

圖2 IAP15W4K58S4單片機(jī)原理圖

2.2 SGP30模塊

SGP30模塊使用I2C與IAP15W4K58S4單片機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)物圖如圖3所示，模塊原理圖如圖4所示。

圖3 SGP30實(shí)物圖

圖4 SGP30模塊原理圖

圖5 DHT11模塊原理圖

圖6 ESP8266模塊原理圖

圖7 TFT-1.44液晶原理圖

2.3 DHT11溫濕度傳感器模塊

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

圖9 液晶顯示

此模塊采用單線制串行接口，只有一個數(shù)據(jù)口，接單片機(jī)的普通I/O口即可。根據(jù)官方提供的Datasheet，接口上建議：當(dāng)連接線長度短于20m的時候，使用5K上拉電阻，而大于20m的時候則需要根據(jù)實(shí)際情況使用恰當(dāng)?shù)纳侠娮?。該模塊的供電電壓為3-5.5V，所以接系統(tǒng)電源5V即可。模塊原理圖如圖5所示。

2.4 ESP8266模塊

該模塊采用UART通信，即通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信。模塊原理圖如圖6所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手APP

2.5 TFT液晶模塊

本設(shè)計(jì)使用的液晶為5V供電，所以直接使用系統(tǒng)電源供電即可。該液晶模塊使用的是SPI通信，模塊原理圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)各模塊編程采用模塊化編程思路。系統(tǒng)程序工作流程如圖8所示。

結(jié)論：液晶顯示如圖9所示，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手界面如圖10所示。通過顏色變化，警示空氣質(zhì)量情況。